BÀI TẬP LỚN VI XỬ LÝ TRONG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ; Tống THị Lý

BÀI TẬP LỚNVI XỬ LÝ TRONG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂNĐại học Công Nghiệp Hà Nộigiáo viên Tống Thị LýChương 1: Tổng quan về các dòng vi điều khiển41.1 Tổng quan về các dòng vi điều khiển đang sử dụng trên thị trường:41.1.1 Vi điều khiển là gì ?41.1.2 Vi điều khiển 805141.1.3 Vi điều khiển PIC51.1.4 Vi điều khiển AVR61.1.5 Vi điều khiển ARM61.1.6 So sánh sự khác nhau chính của các chip:7Chương 2: Thiết kế mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển 805192.1 Tổng quát92.1.1 Giới thiệu đề tài:92.1.2 Tổng quan một lò ấp trứng đơn giản:92.1.3 Yêu cầu của một lò ấp trứng:92.1.4 Các biến cần điều khiển và yêu cầu của biến điều khiển:102.1.5 Sơ đồ khối của hệ thống:102.2 Phần cứng:112.2.1 Tính chọn thiết bị của hệ thống:112.2.2 Mạch Sơ đồ nguyên lý:152.3 Phần mềm:172.3.1 Danh mục các việc vi điều khiển cần làm:172.3.2 Xác định cấu trúc chương trình và phân bố công việc vào từng chương trình:182.3.3 Lưu đồ thuật toán cho các chương trình192.3.4 Chương trình trên C22Chương 3: Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Proteus273.1 Mô phỏng trên proteus273.2 Thiết kế mạch in trên altium designer28Chương 4: Phân tích và nhận xét kết quả31

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Sinh viên thực hiện :Nhóm 3

Hà Nội: 2019

Muc lục

Chương 1: Tổng quan về các dòng vi điều khiển 4

1.1 Tổng quan về các dòng vi điều khiển đang sử dụng trên thị trường: 4

1.1.1 Vi điều khiển là gì ? 4

1.1.2 Vi điều khiển 8051 4

1.1.3 Vi điều khiển PIC 5

1.1.4 Vi điều khiển AVR 6

1.1.5 Vi điều khiển ARM 6

1.1.6 So sánh sự khác nhau chính của các chip: 7

Chương 2: Thiết kế mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển 8051 9

2.1 Tổng quát 9

2.1.1 Giới thiệu đề tài: 9

2.1.2 Tổng quan một lò ấp trứng đơn giản: 9

2.1.3 Yêu cầu của một lò ấp trứng: 9

2.1.4 Các biến cần điều khiển và yêu cầu của biến điều khiển: 10

2.1.5 Sơ đồ khối của hệ thống: 10

2.2 Phần cứng: 11

2.2.1 Tính chọn thiết bị của hệ thống: 11

2.2.2 Mạch Sơ đồ nguyên lý: 15

2.3 Phần mềm: 17

2.3.1 Danh mục các việc vi điều khiển cần làm: 17

2.3.2 Xác định cấu trúc chương trình và phân bố công việc vào từng chương trình: 18

2.3.3 Lưu đồ thuật toán cho các chương trình 19

2.3.4 Chương trình trên C 22

Chương 3: Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Proteus 27

3.1 Mô phỏng trên proteus 27

3.2 Thiết kế mạch in trên altium designer 28

Chương 4: Phân tích và nhận xét kết quả 31

i

Lời nói đầu

Ngày nay, các bộ vi điều khiển đang có ứng dụng ngày càng rộng rãi trong cáclĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội, đặc biệt là trong kỹ thuật tự động hóa và điềukhiển từ xa Giờ đây, với nhu cầu chuyên dụng hóa, tối ưu hóa (thời gian, không gian,giá thành), tính bảo mật, tính chủ động trong công việc … ngày càng đòi hỏi khắtkhe Việc đưa ra công nghệ mới trong lĩnh vực chế tạo mạch điện tử để đáp ứngnhững yêu cầu trên là hoàn toàn cấp thiết mang tính thực tế cao

Ngày nay, nền kinh tế ở vùng nông thôn đô thị đang được đẩy mạnh phát triển.Việc chọn đề tài thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ trong lò ấp trứng với mục đích gópphần nghiên cứu phát triển ngành nghề đang được sử dụng khá phổ biến

Đề tài gần gũi với đời sống và có đóng góp lớn cho việc phát triển kinh tế xã hộiđặc biệt là nền kinh tế nông thôn

Chương 1: Tổng quan về các dòng vi điều

khiển1.1 Tổng quan về các dòng vi điều khiển đang sử dụng trên thị trường:

để lưu chương trình sẽ được thực thi và rất nhiều dòng đầu vào / đầu ra có thể được

sử dụng để hoạt động chung với các thiết bị khác, như đọc trạng thái của cảm biếnhoặc điều khiển động cơ

1.1.2 Vi điều khiển 8051

Vi điều khiển 8051 là một họ vi điều khiển 8 bit được Intel phát triển vào năm

1981 Đây là một trong những họ vi điều khiển phổ biến đang được sử dụng trên toànthế giới Bộ vi điều khiển này còn được gọi là hệ thống trên một chip vì nó có 128byte RAM, 4Kbyte ROM, 2 Timers, 1 cổng nối tiếp và 4 cổng trên một chip CPUcũng có thể hoạt động cho 8 bit dữ liệu tại một thời điểm vì 8051 là bộ xử lý 8 bit.Trong trường hợp dữ liệu lớn hơn 8 bit, thì nó phải được chia thành các phần để CPU

có thể xử lý dễ dàng Hầu hết các nhà sản xuất có chứa 4Kbyte ROM mặc dù sốlượng ROM có thể vượt quá 64 K byte

8051 đã được sử dụng trong một số lượng lớn các thiết bị, chủ yếu là vì nó dễdàng tích hợp vào một dự án hoặc tạo ra một thiết bị Sau đây là các lĩnh vực chínhcủa trọng tâm:

i

Quản lý năng lượng: Các hệ thống đo lường hiệu quả tạo điều kiện thuận lợi

trong việc kiểm soát việc sử dụng năng lượng trong nhà và các ứng dụng sản xuất.Các hệ thống đo lường này được chuẩn bị có khả năng bằng cách kết hợp các vi điềukhiển

Màn hình cảm ứng: Một số lượng lớn các nhà cung cấp vi điều khiển kết hợp

khả năng lập trình cảm ứng trong thiết kế của họ Các thiết bị điện tử cầm tay nhưđiện thoại di động, phương tiện truyền thông và thiết bị chơi game là ví dụ về mànhình cảm ứng dựa trên vi điều khiển

Ô tô: 8051 tìm thấy nhiều giải pháp ngành ô tô Chúng được sử dụng rộng rãi

trong các xe hybrid để xử lý các biến thể động cơ Hơn nữa, các chức năng như kiểmsoát hành trình và hệ thống chống bó cứng phanh đã được chuẩn bị có khả năng hơnvới việc sử dụng vi điều khiển

Thiết bị y tế: Các thiết bị y tế có thể di chuyển như máy đo huyết áp và glucose

sử dụng vi điều khiển sẽ hiển thị dữ liệu, do đó cung cấp độ tin cậy cao hơn trongviệc cung cấp kết quả y tế

1.1.3 Vi điều khiển PIC

Bộ điều khiển giao diện ngoại vi (PIC) là bộ vi điều khiển được phát triển bởiMicrochip, bộ vi điều khiển PIC rất nhanh và đơn giản để thực hiện chương trình khichúng ta đối chiếu các bộ vi điều khiển khác như 8051 Dễ dàng lập trình và giao tiếpvới các thiết bị ngoại vi khác PIC trở thành bộ vi điều khiển thành công

PIC là một bộ vi điều khiển bao gồm RAM, ROM, CPU, bộ đếm thời gian, bộđếm, ADC (bộ chuyển đổi tương tự sang số), DAC (bộ chuyển đổi kỹ thuật số sangtương tự) Vi điều khiển PIC cũng hỗ trợ các giao thức như CAN, SPI, UART để giaotiếp với các thiết bị ngoại vi bổ sung PIC chủ yếu được sử dụng để sửa đổi kiến trúcHarvard và cũng hỗ trợ RISC (reduced instruction set computer) theo yêu cầu trênRISC và Harvard, chúng ta có thể chỉ đơn giản là PIC nhanh hơn các bộ điều khiểndựa trên 8051 được chuẩn bị từ kiến trúc Von-Newman

1.1.4 Vi điều khiển AVR

Bộ vi điều khiển AVR được phát triển vào năm 1996 bởi Tập đoàn Atmel Thiết

kế cấu trúc của AVR được phát triển bởi Alf-Egil Bogen và Vegard Wollan AVR lấytên từ các nhà phát triển của nó và là viết tắt của vi điều khiển Alf-Egil BogenVegard Wollan RISC, còn được gọi là Advanced Virtual RISC AT90S8515 là bộ viđiều khiển ban đầu dựa trên kiến trúc AVR, mặc dù bộ vi điều khiển đầu tiên tung rathị trường thương mại là AT90S1200 trong năm 1997

Vi điều khiển AVR có sẵn trong ba loại

TinyAVR: – Bộ nhớ ít hơn, kích thước nhỏ, phù hợp chỉ dành cho các ứng dụngđơn giản hơn

MegaAVR: – Đây là những thiết bị phổ biến chủ yếu có dung lượng bộ nhớ tốt(lên tới 256 KB), số lượng thiết bị ngoại vi sẵn có cao hơn và thích hợp cho các ứngdụng từ đơn giản đến phức tạp

XmegaAVR: – Được sử dụng trong thương mại cho các ứng dụng phức tạp, cần

bộ nhớ chương trình lớn và tốc độ cao

1.1.5 Vi điều khiển ARM

Bộ xử lý ARM cũng là một trong những họ CPU dựa trên kiến trúc RISC (máytính tập lệnh giảm) được phát triển bởi Advanced RISC Machines (ARM) ARM tạo

ra bộ xử lý đa lõi RISC 32 bit và 64 bit Bộ xử lý RISC được thiết kế để thực hiệnmột số lượng nhỏ hơn các loại hướng dẫn máy tính để chúng có thể hoạt động ở tốc

độ cao hơn, thực hiện thêm hàng triệu phép tính mỗi giây (MIPS) Bằng cách loại bỏcác phép tính không cần thiết và tối ưu hóa các lộ trình, bộ xử lý RISC mang lại hiệusuất vượt trội tại một phần nhu cầu năng lượng của quy trình CISC (tính toán tập lệnhphức tạp)

i

Bộ xử lý ARM được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử của khách hàngnhư điện thoại thông minh, máy tính bảng, máy nghe nhạc đa phương tiện và cácthiết bị di động khác, chẳng hạn như thiết bị đeo Do tập lệnh được giảm xuống ,chúng cần ít bóng bán dẫn hơn, cho phép kích thước nhỏ hơn của mạch tích hợp (IC).

Bộ xử lý ARM, kích thước nhỏ hơn giảm độ khó và chi phí điện năng thấp hơn khiếnchúng phù hợp với các thiết bị ngày càng thu nhỏ

1.1.6 So sánh sự khác nhau chính của các chip:

Chương 2: Thiết kế mạch điều khiển sử dụng

vi điều khiển 80512.1 Tổng quát

2.1.1 Giới thiệu đề tài:

Đề tài thiết kế mạch sử dụng vi điều khiển điều chỉnh nhiệt độ trong lò ấp trứng.Trong các lò ấp trứng gia cầm, yêu cầu cần phải cung cấp lượng nhiệt đầy đủ vàliên tục thì khả năng và sắc xuất trứng nở của lò mới cao Nếu trong quá trình ấp màmất nhiệt thì trứng dễ bị hỏng Mục tiêu nâng cao tỉ lệ nở của trứng do vậy cần phải

có hệ thống kiểm soát xem lò có được cung cấp nhiệt dầy đủ và ổn định không

Mạch dùng vi điều khiển có thể đáp ứng được các yêu cầu này Hiện nay cácmáy ấp trứng công nghiệp cũng dùng cách này VÌ vậy chúng em xin thiết kế hệthống đo và điều khiển nhiệt độ cho mộ lò ấp trứng đơn giản sử dụng vi xử lý 8051

2.1.2 Tổng quan một lò ấp trứng đơn giản:

Để làm được một máy ấp trứng chúng ta cần những thiết bị sau:

1 Bộ điều khiển nhiệt độ

2 Một bóng đèn 40W

3 Một thùng xốp dài 60cm, rộng 45cm, cao 40cm

4 Một quạt thông gió loại nhỏ

5 Một ca đựng nước

2.1.3 Yêu cầu của một lò ấp trứng:

Để tạo ra một máy ấp trứng gà cần đáp ứng các yêu cầu sau:

- Đảm bảo nhiệt độ thích hợp (37-38OC ) và ổn định.

- Đảm bảo độ ẩm từ 50-80%

- Đảm bảo thông gió thoáng khí nơi tủ ấp

- Đảm bảo đảo trứng thường xuyên (1-3h 1 lần)

2.1.4 Các biến cần điều khiển và yêu cầu của biến điều khiển:

Với một lò ấp trứng ta cần điều khiển 2 thiết bị chính là quạt thông gió và bóngđèn để cấp nhiệt cho lò ấp

- Bóng đèn cung cấp nhiệt cho lò ấp: được điều khiển bằng vi xử lý Bóng đèncần được bật khi nhiệt độ trong lò ấp chưa đạt tới nhiệt độ đặt, và bóng đèn

sẽ tắt khi nhiệt độ trong lò ấp vượt quá nhiệt độ đặt

- Quạt thông gió: quạt sẽ được bật liên tục khi hệ thống hoạt động để lưu thôngkhí và hơi ẩm đi toàn bộ lò ấp

2.1.5 Sơ đồ khối của hệ thống:

- Khối cảm biến nhiệt độ: khối này có chức năng đo nhiệt độ bên trong lò ấptrứng sau đó đưa vào vi điều khiển

- Vi điều khiển: Đọc giá trị nhiệt độ từ cảm biến xử lý thông tin để đưa ra khốihiển thị và mạch điều khiển nhiệt độ

- Mạch điều khiển nhiệt độ: Điều khiển quạt thông gió và bật tắt bóng đèn đểgiữ nhiệt độ lò ấp luôn nằm trong khoảng setpoint

- Khối hiển thị: Hiển thị nhiệt độ đặt và nhiệt độ hiện tại của lò ấp

- Tính toán các phép toán logic

- Lập trình điều khiển nhiều thiết bị

- Dùng trong các mạch điều khiển

Thông số kỹ thuật:

- Điện áp 4 đến 5.5V

- Tần số Hz đến 33Mhz

- 2 Timer/Counters 16-bit

- 6 ngắt: Reset, ngắt ngoài 0, Timer 0, ngắt ngoài 1,Timer 1, ngắt truyền thông

- Giao tiếp UART

- Đóng gói DIP40

2 Cảm biến nhiệt độ DS18B20

DS18B20 là IC cảm biến nhiệt độ, chỉ bao gồm 3 chân, đóng gói dạng TO-92 3chân rất nhỏ gọn.

DS18B20 giao tiếp thông qua giao thức 1 dây dẫn với vi xử lý

Đặc điểm chính của DS18B20 như sau:

5 Điện trở

6 Điện trở thanh 10 k

7 Nút nhấn 2 chân

8 Tụ điện

9 Relay 12V 5 chân.

Thông số kỹ thuật:

- Điện áp điều khiển 12V

- Dòng điện cực đại 10A

Nhiệt độ <

nhiệt độ đặt 1

độ

YesNo

Ngừng cấp

Mạch trên Proteus

i

2.3 Phần mềm:

2.3.1 Danh mục các việc vi điều khiển cần làm:

- Cấu hình vi điều khiển

- Cấu hình LCD

- Cấu hình DS18B20

- Đọc nhiệt độ từ DS18B20

- Thiết lập nhiệt độ đặt khi có ngắt

- Hiển thị nhiệt độ và nhiệt độ đặt ra màn hình LCD

- Đưa tín hiệu ra điều khiển bật tắt mạch gia nhiệt

Lưu đồ chung cho vi điều khiển 8051:

2.3.2 Xác định cấu trúc chương trình và phân bố công việc vào từng chương trình:

i

Đợi ngắt

- Cấm tất cả các ngắt

- Khởi tạo ngăn xếp

- Khởi tạo các ngoại vi

- Khởi tạo các biến số hằng số

- Cho phép ngắt

Power on (Reset)

Chương trình khởi tạo

INT EX0

Chương trình ngắt Nhiệm vụ: Thực hiện công việc cài đặt nhiệt

Các chương trình con thực hiện nhiệm vụ

- Tạo hàm delay

- Giao tiếp vi điều khiển với LCD

- Giao tiếp vi điều khiển với IC DS18B20

2.3.3 Lưu đồ thuật toán cho các chương trình

i < t Int i=0

Start Int i=0

i < t Stop Stop Start i < t i < t Start Start Int i=0 Int i=0 Int i=0 Start

Cập nhật kết quả đo lên LCD

Đọc 2 byte chứa kết

quả đo

Ghi lệnh 0xBE đọc kết quả vừa đo được

Ghi lệnh 0xCC truy cập đến bộ nhớ DS18B20 Khởi tạo DS18B20

Ghi lệnh 0x44 bắt đầu chuyển đổi nhiệt độ

Ghi lệnh 0xCC truy cập đến bộ nhớ DS18B20 Khởi tạo DS18B20

Start

4 Lưu đồ màn hình LCD:

Lưu đồ ghi dữliệu trên LCD

Char *s Start

Lưu đồ ghichuỗi kí tự trên LCD

END END

END

- Ghi lệnh đưa con trỏ đến vị trí cần ghi kí tự

- Ghi kí tự vào vị trí con trỏ trỏ đến

- Chọn thanh ghi dữ liệu (RS=1)

Start

4 Chương trình giao tiếp LCD 4bit

i

5 Chương trình chính

6 Chương trình ngắt

i

Chương 3: Mô phỏng hệ thống trên phần

mềm Proteus3.1 Mô phỏng trên proteus

Trường hợp cảm biến đo nhiệt độ được 38 độ lớn hơn nhiệt độ đặt là 37 độ Rơle

sẽ ngắt điện bóng đèn cấp nhiệt cho lò ấp sẽ tắt

Trường hợp nhiệt độ cảm biến đo được là 36 độ nhỏ hơn nhiệt độ đặt là 37 độ.Rơle sẽ đó cấp điện cho bóng đèn sáng cấp điện cho lò ấp trứng.

3.2 Thiết kế mạch in trên altium designer

i

Chương 4: Phân tích và nhận xét kết quả

Với mạch đo và điểu khiển nhiệt độ do nhóm em thiết kế trong đề tài về cơ bảnđáp ứng được các yêu cầu về việc đo hiển thị và khống chế được nhiệt độ mongmuốn Hệ thống hoạt động ổn định, độ chính xác cao hơn các phương pháp truyềnthống Tuy nhiên hạn chế ở đề tài nghiên cưu của chúng em là ứng dụng của rất nhiềulĩnh vực nên cần phải có vốn kiến thức tổng hợp để thiết kể được một sản phẩm hoànchỉnh

Hướng mở rộng của đề tài: chúng ta có thể nghiên cứu thêm về thuật toán sửdụng phương pháp điều khiển bằng PID giúp cho việc điều chỉnh nhiệt độ bám sátvào nhiệt độ đặt hơn, độ chính xác sẽ cao hơn

Đây là lần đầu tiên nghiên cứu vầ đề tài đo lường và cảm biến sử dụng vi xử lýnên còn rất nhiều hạn chế về kiến thức cũng như cách nhìn nhận vấn đề nên chúng

em rất mong nhận được sự nhận xét đánh giá của cô để sản phẩm này được hoànthiện hơn